王江澤 丁真奇
[摘要] 松質(zhì)骨螺釘是一種常用于四肢干骺端和脊柱的內(nèi)固定器械,臨床上因螺釘固定強度不夠?qū)е滦g(shù)后螺釘?shù)乃蓜印⒚摮鰰r常發(fā)生,許多研究表明螺釘?shù)墓潭◤姸扰c螺釘?shù)淖陨硪蛩?、骨密度、醫(yī)生手術(shù)操作技術(shù)及熟練程度等有關(guān)。
[關(guān)鍵詞] 松質(zhì)骨螺釘;螺釘松動;拔出力
[中圖分類號] R318[文獻標識碼] A[文章編號] 1673-9701(2012)12-0026-03
螺釘是一種常用的骨科內(nèi)固定器械,其中松質(zhì)骨螺釘與皮質(zhì)骨螺釘不同,其螺紋間距(螺紋溝)寬而深,且螺紋徑與螺柱徑的比例較大,主要用于四肢干骺端和脊柱的固定,臨床上因螺釘固定強度不夠?qū)е滦g(shù)后螺釘?shù)乃蓜?、脫出時常發(fā)生,國內(nèi)外許多研究表明螺釘?shù)墓潭◤姸扰c其內(nèi)、外在因素密切相關(guān),如螺釘?shù)淖陨硪蛩亍⒐敲芏?、醫(yī)生手術(shù)操作技術(shù)及熟練程度等?,F(xiàn)就其相關(guān)因素作一綜述。
1 螺釘固定強度的評價指標
螺釘固定失效原因有軸向拔出力、折彎力、扭轉(zhuǎn)力,或上述作用力的組合。螺釘?shù)纳锪W實驗有強度和疲勞試驗,強度試驗是通過材料試驗機在螺釘上加載載荷,直至出現(xiàn)破壞,如測量螺釘?shù)陌纬隽Γ糜谠u價螺釘與骨界面的固定強度,但是此試驗只能評價螺釘?shù)募磿r強度。疲勞試驗是以一定頻率循環(huán)加載載荷于螺釘上直至破壞,以循環(huán)加載次數(shù)代表其疲勞壽命。螺釘對骨折塊的固定或與鋼板貼合的緊密程度依賴于其對骨骼的抓持力和抗拔出強度,螺釘固有的把持力是螺紋徑與旋入骨骼內(nèi)的螺紋長度的乘積,所以其固定強度在實驗中主要以拔出力作為評價指標。
2 影響螺釘固定的自身因素
2.1 螺釘材料
選擇好的螺釘材料使之置入后具有良好的釘-骨界面尤為重要。國外研究表明,鈦合金螺釘較不銹鋼螺釘有更好的骨相容性,其與骨界面之間相差33%的骨量,具有更大的軸向拔出力,但螺釘?shù)目剐D(zhuǎn)力無明顯差別,說明螺釘?shù)陌纬隽εc螺釘?shù)牟牧详P(guān)系密切[1,2]。Sanden等[3]比較表面鍍HA與不鍍HA的不銹鋼螺釘?shù)陌纬隽Γl(fā)現(xiàn)鍍HA的螺釘組的拔出力明顯高于對照組,且骨釘接觸面積和螺紋內(nèi)骨含量也均明顯高于對照組,從另一方面說明選擇相同螺釘材料時,在其表面適當加入一些骨相容性材料同樣有提高拔出力的效果。
2.2 螺釘幾何形態(tài)
螺釘?shù)膸缀涡螒B(tài)包括螺釘直徑、有效長度、螺紋深度及螺旋角、螺紋傾斜度、螺距等;其固定強度與螺釘?shù)淖陨碓O(shè)計密切相關(guān),近年來國內(nèi)外研究表示適當優(yōu)化上述因素能增加螺釘?shù)墓潭◤姸取?/p>
2.2.1 螺釘?shù)脑O(shè)計松質(zhì)骨螺釘?shù)穆菁y深,螺距大,螺芯直徑較小,故螺釘?shù)耐鈴脚c螺芯直徑的比值較大,可以增加螺釘對骨骼的抓持力。螺釘?shù)牟煌菁y設(shè)計對其拔出力具有很大的影響。Klein等[4]在尸體上進行圓形與半圓形螺紋拔出試驗時,發(fā)現(xiàn)兩者并無明顯差異。Hale等[5]實驗比較FT螺釘(full taper screw)和PT螺釘(proximal taper screw)的拔出力,結(jié)果表明FT螺釘?shù)陌纬隽^高,且受大/小螺紋比例的影響。而Bret等[6]研究認為相同的螺釘規(guī)格和螺紋設(shè)計,圓錐形螺釘比圓柱形螺釘固定更牢固。有學者如譚映軍等[7]對錐形椎弓根螺釘?shù)膬?nèi)、外形設(shè)計的生物力學特性進行了比較,結(jié)果表明外錐形椎弓根螺釘比內(nèi)錐形椎弓根螺釘具有更大的撥出力,說明椎弓根螺釘設(shè)計成外錐形可明顯提高螺釘?shù)陌纬隽Α?/p>
2.2.2 螺釘?shù)闹睆胶烷L度螺釘?shù)目箯澢鷱姸群涂辜羟袕姸热Q于螺釘芯的直徑。一般情況下,直徑大的螺釘或長的螺釘能增加松質(zhì)骨螺釘?shù)陌纬隽?。Willett等[8]研究表明螺釘?shù)闹睆脚c螺釘?shù)陌纬鰪姸认嚓P(guān)。而Polly等[9]發(fā)現(xiàn)翻修螺釘直徑增加2.0 mm時,其旋入力矩增加8.4%,但單獨螺釘長度增加不能提高固定強度,而直徑增加1.0 mm與長度增加兩者則會產(chǎn)生協(xié)同作用增強螺釘?shù)姆€(wěn)定性。Hitchon等[10]研究也得出相類似的結(jié)果:螺釘拔出力與螺釘有效長度具有很強的相關(guān)性,螺釘固定的有效長度越長,其拔出力越大。但Scott等[11]研究表明其與長度的相關(guān)性也在一定的范圍內(nèi),即最優(yōu)值,并非越長越好。所以在設(shè)計螺釘時,應考慮螺釘?shù)拈L度與直徑的最適比例。
2.2.3 螺釘?shù)莫毺卦O(shè)計當螺釘?shù)母鞣N設(shè)計參數(shù)達不到最優(yōu)化時,國內(nèi)外學者開始研究螺釘?shù)奶厥庠O(shè)計,目前研究較多的是椎弓根螺釘,有空心開孔和可膨脹兩種設(shè)計方法,使螺釘能與骨水泥等強化材料有效的結(jié)合??招拈_孔椎弓根螺釘,為空心椎弓根螺釘,前部分有多個側(cè)孔,螺釘頭部與注射器相連,骨水泥注入后沿螺釘內(nèi)、側(cè)孔向釘?shù)酪绯?,形成骨水泥柱。Yazu等[12]比較了空心開孔椎弓根螺釘結(jié)合CPC強化后和普通螺釘在骨質(zhì)疏松人腰椎標本上的拔出力,結(jié)果表明使用結(jié)合CPC空心開孔椎弓根螺釘可提高固定強度。Takigawa等[13]在骨質(zhì)疏松條件下使用PMMA結(jié)合自行設(shè)計的螺釘也可顯著增強螺釘?shù)姆€(wěn)定性??膳蛎涀倒葆?,由外部中空螺釘、可置入中空螺釘內(nèi)的內(nèi)栓和螺栓3部分組成,與分叉式髓內(nèi)釘相似,擰入內(nèi)栓可以使螺釘尾端膨脹,構(gòu)成倒刺狀,還增加了固定錨點和螺釘-骨界面,螺釘抗拔力明顯增加。Cook等[14]研究表明臨床上嚴重骨質(zhì)疏松患者應用PMMA結(jié)合可膨脹椎弓根螺釘進行固定是可行的。
3影響螺釘固定強度的外在因素
3.1 骨密度
目前研究發(fā)現(xiàn)骨密度反映了松質(zhì)骨單位體積內(nèi)骨的含量,也是影響松質(zhì)骨螺釘拔出力的重要因素,因為螺釘?shù)妮S向拔出力主要來源于骨-釘之間的摩擦力,摩擦力越大,拔出力就越大,皮質(zhì)骨的固定強度大約是松質(zhì)骨的十倍以上。Halvorson等[15]用雙光子骨密度測定儀測定標本椎體骨密度時發(fā)現(xiàn)正常骨密度組平均軸向拔出力較骨質(zhì)疏松組增大約1000 N,說明螺釘軸向拔出力與椎體骨密度呈正相關(guān)。這與Okuyama等[16]研究結(jié)果一致:當BMD每降低10 mg/mL,螺釘最大拔出力約減少60 N。Lim等[17]在研究椎體的骨密度與誘發(fā)前路椎體螺釘疲勞松動的加載循環(huán)次數(shù)關(guān)系時,表明骨密度與循環(huán)加載次數(shù)、置入扭力呈正相關(guān)。所以骨密度與螺釘拔出力、旋入/出力矩及疲勞穩(wěn)定性呈正相關(guān)性,骨密度越高,螺釘固定強度越大。
3.2 醫(yī)生手術(shù)操作技術(shù)及熟練程度
手術(shù)操作者的操作技術(shù)和熟練程度對內(nèi)固定術(shù)后螺釘?shù)姆€(wěn)定性至關(guān)重要,如釘?shù)罍蕚?、操作者是否反復改變釘?shù)兰胺磸腿〕鰯Q入、置釘位置及方向以及在螺釘上反復撐開加壓等。George 等[18]比較了用鉆頭和定位探子兩種準備孔道方法后椎弓根螺釘?shù)妮S向拔出力,統(tǒng)計學上無顯著性差異,但用鉆頭準備孔道可能破壞椎弓根皮質(zhì),降低螺釘固定強度。Polly等[9]發(fā)現(xiàn)將椎弓根釘擰出后重新擰入,其旋入扭力降低34%,Bret等[6]認為術(shù)中調(diào)整螺釘旋出180°或360°不會降低其拔出力。內(nèi)固定術(shù)后螺釘?shù)姆€(wěn)定性與手術(shù)操作者置釘?shù)奈恢煤头较蛞灿休^大的關(guān)系。鄒霞等[19]研究發(fā)現(xiàn)螺釘拔出力與固定位置有關(guān),進釘點越靠近長骨兩端的關(guān)節(jié)面一側(cè),其固定強度就越大。國外學者Barber等[20]研究兩椎弓根螺釘成30°角相向植入和平行植入進行比較,前者的Fmax較后者平均增加28.6%,螺釘松動前縱向載荷平均增加101%。
3.3 增強螺釘固定強度的強化材料
固定器械、材料以及操作技術(shù)的改進最終依賴于被固定骨本身的強度,理想的措施應是直接加強骨質(zhì)疏松骨基質(zhì),提高骨-螺釘界面的強度。用聚甲基丙烯酸甲酯(polymethylmethacrylate,PMMA)改善螺釘穩(wěn)定性的方法起初主要應用于四肢和腫瘤外科,以后也被逐步用于脊柱外科的椎弓根螺釘固定。研究表明用PMMA強化后能顯著增加椎弓根螺釘在骨質(zhì)疏松椎體中的軸向拔出力,甚至超過皮質(zhì)骨的強度[21]。磷酸鈣骨水泥(calcium phosphate cement,CPC)是一種新的骨替代物,凝固時不發(fā)熱,具有良好的生物安全性、生物相容性、骨傳導性和可吸收性,能由外向內(nèi)緩慢地生物降解,從而被正常的骨組織所替代來完成骨的重建。Renner等[22]研究表明用CPC強化椎弓根螺釘或前路椎體螺釘,顯著增加了螺釘?shù)墓潭◤姸群蛷澢鷦偠?。其他常見的強化材料還有:羥基磷灰石骨水泥(hydroxyapatite cement,HAC)、碳酸磷灰石骨水泥(carbonated apatite cement,CBC)、碳酸鈣骨水泥(calcium apatite cement,CAC)、硫酸鈣骨水泥(calcium sulfate cement,CSC)、可吸收陶瓷Biobon、復合牛骨形態(tài)發(fā)生蛋白(bovine bone morphogenetic protein,bBMP)的纖維蛋白膠(fibrin sealant,F(xiàn)S),實驗表明使用這些材料強化螺釘均能增加螺釘-骨界面的剛度和固定強度,增強螺釘?shù)募纯谭€(wěn)定性。國內(nèi)外學者[15, 23]亦有使用骨條、骨屑或顆粒骨修復強化釘?shù)溃材茉鰪娐葆數(shù)陌纬隽Α?/p>
4 結(jié)論
目前國內(nèi)外對螺釘?shù)淖陨硪蛩嘏c螺釘固定強度的相關(guān)性研究較多,螺釘?shù)脑O(shè)計改進漸趨完善,螺釘進釘技術(shù)日臻成熟,但是對內(nèi)固定器械的疲勞性研究很少,不同試驗研究的預負荷、頻率、周期性負荷次數(shù)均不統(tǒng)一,有待進一步規(guī)范和完善。對于外在因素,如骨質(zhì)疏松導致的螺釘固定失效,目前的研究較多集中在增強螺釘固定強度的生物強化材料上,生物相容性好、可吸收降解、促成骨作用強的新型材料越來越多。隨著動物體內(nèi)試驗的進一步研究,生物強化材料及其使用方法會得到更充分的證實,臨床上的應用前景也會更加寬廣。
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(收稿日期:2012-02-17)